Kaj je kvantno računalništvo?

Kvantno računalništvo uporablja kvantno mehaniko za obdelavo ogromnih količin informacij z neverjetno visoko hitrostjo. Kvantni računalnik potrebuje nekaj minut do nekaj ur, da reši problem, za katerega bi namizni računalnik potreboval leta ali desetletja.

Kvantno računalništvo postavlja temelje za novo generacijo superračunalnikov. Pričakuje se, da bodo ti kvantni računalniki prekašali obstoječo tehnologijo na področjih, kot so modeliranje, logistika, analiza trendov, kriptografija in umetna inteligenca.

Razloženo kvantno računalništvo

Idejo kvantnega računalništva sta si v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja prvič zamislila Richard Feynman in Yuri Manin. Feynman in Manin sta verjela, da lahko kvantni računalnik simulira podatke na načine, ki jih namizni računalnik ne more. Šele v poznih devetdesetih letih prejšnjega stoletja so raziskovalci zgradili prve kvantne računalnike.

Primarna procesna enota kvantnega računalništva so kvantni biti ali kubiti. Kubiti so ustvarjeni v kvantnem računalniku z uporabo kvantnih mehanskih lastnosti posameznih atomov, subatomskih delcev ali superprevodnih električnih vezij.

Kubiti so podobni bitjem, ki jih uporabljajo namizni računalniki, saj so lahko kubiti v kvantnem stanju 1 ali 0. Kubiti se razlikujejo po tem, da so lahko tudi v superpoziciji stanj 1 in 0, kar pomeni, da lahko kubiti hkrati predstavljajo 1 in 0.

Ko so kubiti v superpoziciji, se dve kvantni stanji seštejeta in povzročita drugo kvantno stanje. Superpozicija pomeni, da se več izračunov obdeluje hkrati. Torej lahko dva kubita predstavljata štiri števila hkrati. Običajni računalniki obdelujejo bite samo v enem od dveh možnih stanj, 1 ali 0, izračuni pa se obdelajo enega za drugim.

Kvantni računalniki uporabljajo tudi zapletanje za obdelavo kubitov. Ko je kubit zapleten, je stanje tega kubita odvisno od stanja drugega kubita, tako da en kubit razkrije stanje njegovega neopaženega para.

Kvantni procesor je jedro računalnika

Ustvarjanje kubitov je težka naloga. Za vzdrževanje qubita za kakršen koli čas je potrebno zamrznjeno okolje. Superprevodne materiale, potrebne za ustvarjanje kubita, je treba ohladiti absolutna ničla (približno minus 272 Celzija). Kubiti morajo biti zaščiteni tudi pred hrupom iz ozadja, da se zmanjšajo napake pri izračunu.

Notranjost kvantnega računalnika je videti kot eleganten zlati lestenec. In ja, narejena je iz pravega zlata. To je hladilnik za redčenje, ki hladi kvantne čipe, tako da lahko računalnik ustvari superpozicije in zaplete kubite, ne da bi pri tem izgubil vse informacije.

Kvantni računalnik naredi te kubite iz katerega koli materiala, ki prikazuje kvantno mehanske lastnosti, ki jih je mogoče nadzorovati. Projekti kvantnega računalništva ustvarjajo kubite na različne načine, kot so zankanje superprevodne žice, vrteči se elektroni in lovljenje ionov ali impulzov fotonov. Ti kubiti obstajajo samo pri temperaturah pod lediščem, ustvarjenih v hladilniku za redčenje.

Programski jezik kvantnega računalništva

Kvantni algoritmi analizirajo podatke in na podlagi podatkov ponujajo simulacije. Ti algoritmi so napisani v kvantno usmerjenem programskem jeziku. Raziskovalci in tehnološka podjetja so razvili več kvantnih jezikov.

To je nekaj programskih jezikov kvantnega računalništva:

• QISKit: The Komplet programske opreme Quantum Information od IBM-a je knjižnica s polnim skladom za pisanje, simulacijo in izvajanje kvantnih programov.
• Q#: programski jezik, vključen v Microsoft Kvantni razvojni komplet. Razvojni komplet vključuje kvantni simulator in knjižnice algoritmov.
• Cirq: A kvantni jezik, ki ga je razvil Google ki uporablja knjižnico python za pisanje vezij in zagon teh vezij v kvantnih računalnikih in simulatorjih.
• gozd: okolje za razvijalce, ki ga je ustvaril Rigetti Computing, ki piše in izvaja kvantne programe.

Uporaba za kvantno računalništvo

Pravi kvantni računalniki so postali na voljo v zadnjih nekaj letih in le nekaj velikih tehnoloških podjetij ima kvantni računalnik. Nekatera od teh tehnoloških podjetij vključujejo Google, IBM, Intel in Microsoft. Ti tehnološki voditelji sodelujejo s proizvajalci, podjetji za finančne storitve in biotehnološkimi podjetji, da bi rešili različne probleme.

Razpoložljivost kvantnih računalniških storitev in napredek v računalniški moči dajeta raziskovalcem in znanstvenikom nova orodja za iskanje rešitev za probleme, ki jih prej ni bilo mogoče rešiti. Kvantno računalništvo je zmanjšalo količino časa in virov, potrebnih za analizo neverjetnih količin podatkov, ustvariti simulacije o teh podatkih, razviti rešitve in ustvariti nove tehnologije, ki popravljajo težave.

Podjetja in industrija uporabljajo kvantno računalništvo za raziskovanje novih načinov poslovanja. Tukaj je nekaj projektov kvantnega računalništva, ki bi lahko koristili podjetjem in družbi:

• Letalska industrija uporablja kvantno računalništvo za raziskovanje boljših načinov upravljanja zračnega prometa.
• Finančna in investicijska podjetja upajo, da bodo uporabila kvantno računalništvo za analizo tveganja in donosnosti finančnih naložb, optimizacijo portfeljskih strategij in poravnavo finančnih prehodov.
• Proizvajalci sprejemajo kvantno računalništvo, da bi izboljšali svoje dobavne verige, ustvarili učinkovitost v svojih proizvodnih procesih in razvili nove izdelke.
• Biotehnološka podjetja iščejo načine za pospešitev odkrivanja novih zdravil.

Poiščite kvantni računalnik in eksperimentirajte s kvantnim računalništvom

Nekateri računalničarji razvijajo metode za simulacijo kvantnega računalništva na namiznem računalniku.

Številna največja tehnološka podjetja na svetu ponujajo kvantne storitve. Ko so združene z namiznimi računalniki in sistemi, te kvantne storitve ustvarijo okolje, v katerem kvantna obdelava – z namiznimi računalniki – rešuje kompleksne probleme.

• IBM ponuja okolje IBM Q z dostopom do več resničnih kvantnih računalnikov in simulacij, ki jih lahko uporabljate prek oblaka.
• Alibaba Cloud ponuja a platforma za kvantno računalništvo v oblaku kjer lahko izvajate in testirate kvantne kode po meri.
• Microsoft ponuja a kvantni razvojni komplet ki vključuje programski jezik Q#, kvantne simulatorje in razvojne knjižnice kode, pripravljene za uporabo.
• Rigetti ima prvo kvantno platformo v oblaku, ki je trenutno v beta različici. Njihova platforma je vnaprej konfigurirana z njihovim Forest SDK.

Novice kvantnega računalništva v prihodnosti

Sanje so, da bodo kvantni računalniki rešili težave, ki so trenutno prevelike in preveč zapletene za reševanje s standardno strojno opremo – zlasti za okoljsko modeliranje in zadrževanje bolezni.

Namizni računalniki nimajo prostora za izvajanje teh zapletenih izračunov in izvajanje te neverjetne količine analize podatkov. Kvantno računalništvo zahteva največ veliki podatki zbira in obdeluje te informacije v delčku časa, ki bi ga potreboval na namiznem računalniku. Podatki, za obdelavo in analizo katerih bi namizni računalnik potrebovali več let, za kvantni računalnik potrebujejo le nekaj dni.

Kvantno računalništvo je še v povojih, vendar ima potencial za reševanje najkompleksnejših svetovnih problemov s svetlobno hitrostjo. Vsakdo ugiba, kako daleč bo kvantno računalništvo raslo in razpoložljivost kvantnih računalnikov.